超声流量计在污水流量计校准中适应性的探讨

油田污水回注是合理开发和利用水资源、节能环保的有效途径。污水回注量是否合适关系到地层结构的优化，油层压力的恢复和保持，直接影响油田采收率，因此污水流量计的准确性十分重要。油田现场污水流量计拆卸较困难，往往又没有备用流量计，因此现场通常采用超声波流量计在线校准法。近几年随着油田对污水计量的重视，超声波流量计现场校准方法得到了广泛应用，同时也暴露了该流量计准确性不高的问题。本文结合超声波流量计原理和现场应用经验，通过现场试验和数据分析对超声流量计在污水流量计校准中的适应性进行了讨论。

1 超声波流量计原理

常用的超声波流量计有2种原理：时差法和多普勒法。

1.1 时差法原理

超声波信号在流体中，顺流时信号传播速度快，传播时间短；逆流时信号传播速度慢，传播时间长，利用超声波信号在流体中顺逆流方向声波信号传播时间存在差值，即时差，可以计算出流体流量。时差法较适于测量纯净液体，有较多气泡的液体或悬浮物会阻碍声脉冲正常传播，导致不能正常测量。

1.2 多普勒法原理

超声波信号在传播路径上遇到微小浮游物（悬浮物质或微小气泡）而被散射，超声接收器能够接收散射后的超声波信号。发射信号频率受多普勒效应的影响后变为不同的接收信号频率，2个频率之差与流体流速有确定的数量关系，由此可以计算出流体流量。多普勒法流量计不能测量清洁的流体，仅能测量约50mg/L以上浊度的流体。同时多普勒法测量精度低于时差法，一般为2.0级，即2%满量程误差（2%F.S.）。

2 超声波流量计使用注意事项

近几年，随着超声波流量计在污水流量计在线校准中的应用越来越普遍，流量计准确性不高的问题也逐渐暴露出来，原因主要是操作不规范和流量计自身问题。

2.1 操作不规范

管道方面，技术人员经常不按照标准操作规程进行操作，例如未准确测量管道外径、周长、壁厚、接触温度等，这些参数都会对超声流量计的原始数据修正产生重要影响。

安装方式方面，技术人员经常不按照管道大小和信号强度选择安装方式，往往选择流量计的默认双声程模式。正确的安装方式为：在大管道和复杂环境中应采用单声程；在小管道和信号特强的情况下选择多声程。

安装位置方面，技术人员往往随意放置超声探头，且不确认管道污水是否满管这一重要的测量条件。正确的安装位置为：应选择管道的水平中间位置放置探头；只有在管道满管的条件下才能进行准确测量，流体向上流的垂直管道能保证满管流。

除此以外，现场的管道内衬的种类和厚度等重要参数往往很难获得，这些也严重影响了流量计的准确性。

2.2 超声波流量计自身问题

首先是时差法和多普勒法流量计的选用。时差法流量计适用于纯净液体的计量，准确度优于±1.0%；多普勒法流量计适用于浊度50mg/L以上的流体。因此，2种原理的流量计在污水流量计校准时的选用非常重要。一般情况下，管道中污水较干净时，可选用时差法；当污水较浑浊时，应选用多普勒法。但是污水干净还是浑浊在现场很难被定量界定，因此选用这2种原理的流量计没有通用方法可遵循，导致流量计自身计量不准确，更谈不上校准污水流量计了。

其次超声波接收也存在缺陷。超声波由于是通过在管道中发射和接收超声信号来测量流体流量的，所以管道材质对超声的折射、流体中杂质对超声的反射和散射、流体中随机存在的气泡和杂质的含量高低都会对测量产生不稳定的影响。油田污水中含有不少的原油、砂砾、气泡、化学药剂等，管道内环境十分复杂和多变，严重影响了测量的精度。

针对超声波流量计在污水流量计在线校准中准确性不高的问题。在近一年的的时间里，使用26台检定合格的污水流量计作为参考流量计，对4台超声波流量计进行了现场在线校准，通过大量的试验和数据分析，讨论超声波流量计在污水流量计校准中的作用。

3.1 流量计的选择

为了使试验具有代表性，便携式超声波流量计选用某国外知名厂商的时差式A型、多普勒B型，国内知名厂商的时差式C型、多普勒D型各1台，均检定合格且在检定周期内。26台污水流量计为检定合格后第1次使用的，且在检定周期内。

3.2 试验注意事项

本试验严格遵循超声波流量计附带的使用说明及本文中第3章提到的注意事项。

试验中流量计安装的管道的直管段符合“前十后五”的规定。试验中所选安装流量计的管道为近1年内的新管道，尽量避免因管道内壁腐蚀导致超声信号接收质量不高的问题。

3.3 试验内容

首先将污水流量计分别安装到污水管线中，然后将污水流量计作为参考流量计与便携式超声波流量计进行数据比对，比对内容为60min内的累积流量。

为了分析时差法和多普勒法流量计在不同浑浊程度的污水中的计量准确性，试验中在数据比对的同时进行同管道的污水采样，采样周期为5min，试验结束后将12次水样放入样品桶后搅拌均匀，由光学浊度计测试污水浊度，本试验设定浊度小于50mg/L的为一般水质；浊度≥50mg/L的为较差水质。

试验数据见表1，其中流量表示污水流量计60min内的累计流量；A、B、C、D分别为4个型号的超声波流量计在60min内的累计流量；排名为与同一台污水流量计比对的4台超声波流量计的误差按从小到大的顺序。

表1中，“——”表示超声波流量计因接收信号差而不显示累计流量，误差>20%的超声波流量计累计流量表示因接收信号质量差导致的仪器测量错误。对表1中的数据进行分类处理，以便得到一般和较差水质2种情况时4台流量计的误差统计。表2和表3分别为为一般和较差水质时的流量计误差统计。

表1 超声流量计与污水流量计试验比对数据

从表2和表3发现，试验中水质一般（浊度<50mg/L）的情况下，时差法流量计的有效数据（误差<20%）为13个，占总试验数据（32个）的40.63%；不显示的情况有4个，占总试验数据（32个）12.5%的。水质较差（浊度≥50mg/L）的情况下，多普勒法流量计的有效数据（误差<20%）为4个，占总试验数据（32个）的12.5%；该类型流量计不存在不显示的情况。

当管径较大时（流速>300m³/h），在2种水质情况下，流量计仅有1次有效测得数据，占此情况下实验数据（20个）的5%。

同时，表2和表3也验证了时差法流量计仅适合测量较纯净的流体，而多普勒法流量计仅适合测量浑浊（浊度≥50mg/L）的流体。

表2 一般水质时流量计误差统计

表3 较差水质时流量计误差统计

3.4 试验结论及建议

通过本试验的数据分析，得出结论：

1）2种原理的超声波流量计均不适用于在线校准污水流量计。因管线中情况复杂，杂质和气泡仪表在流量计测量区域内随机出现，时差法流量计在一般水质中的有效数据（误差<20%）仅占40.63%，多普勒法流量计在较差水质中的的有效数据（误差<20%）仅占12.5%，远远低于国家标准。

2）大管径污水管线因流体复杂不适合采用非接触式流量计测量。大管径中污水分层流动，且杂质和气泡在仪表测量区域内随机出现，明显增大了测量误差的概率。

建议油田的污水流量计在条件允许的情况下还是需要送到实验室进行检定。